Embed Size (px)
Citation preview
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE
CHIMBORAZO
FACULTAD DE MECÁNICA
ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
“CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN EN LA ESCUELA
DE INGENIERÍA INDUSTRIAL, DE UN MÓDULO
DIDÁCTICO PARA EL PROCESO DE LLENADO DE CAJAS
PARA LA INDUSTRIA ALIMENTICIA”
ALCIVAR JARAMILLO ERIC DARIO
MALACATUS ROJAS LUIS MIGUEL
TESIS DE GRADO
Previa a la obtención del Título de:
INGENIERO INDUSTRIAL
RIOBAMBA – ECUADOR
2015
ESPOCH Facultad de Mecánica
CERTIFICADO DE APROBACIÓN DE TESIS
2013-11-18
Yo recomiendo que la Tesis preparada por:
ERIC DARIO ALCIVAR JARAMILLO
Titulada:
“CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN EN LA ESCUELA DE
INGENIERÍA INDUSTRIAL, DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA EL
PROCESO DE LLENADO DE CAJAS PARA LA INDUSTRIA ALIMENTICIA”
Sea aceptada como parcial complementación de los requerimientos para el Título de:
INGENIERO INDUSTRIAL
Ing. Marco Santillán Gallegos
DECANO DE LA FAC. DE MECÁNICA
Nosotros coincidimos con esta recomendación:
Ing. Jhonny Orozco Ramos
DIRECTOR DE TESIS
Ing. Ruth Barrera Basantes
ASESORA DE TESIS
ESPOCH Facultad de Mecánica
CERTIFICADO DE APROBACIÓN DE TESIS
2013-11-18
Yo recomiendo que la Tesis preparada por:
LUIS MIGUEL MALACATUS ROJAS
Titulada:
“CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN EN LA ESCUELA DE
INGENIERÍA INDUSTRIAL, DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA EL
PROCESO DE LLENADO DE CAJAS PARA LA INDUSTRIA ALIMENTICIA”
Sea aceptada como parcial complementación de los requerimientos para el Título de:
INGENIERO INDUSTRIAL
Ing. Marco Santillán Gallegos
DECANO DE LA FAC. DE MECÁNICA
Nosotros coincidimos con esta recomendación:
Ing. Jhonny Orozco Ramos
DIRECTOR DE TESIS
Ing. Ruth Barrera Basantes
ASESORA DE TESIS
ESPOCH Facultad de Mecánica
CERTIFICADO DE EXAMINACIÓN DE TESIS
NOMBRE DEL ESTUDIANTE: ERIC DARIOALCIVAR JARAMILLO
TÍTULO DE LA TESIS: “CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN EN LA
ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL, DE UN MÓDULO DIDÁCTICO
PARA EL PROCESO DE LLENADO DE CAJAS PARA LA INDUSTRIA
ALIMENTICIA”
Fecha de Examinación: 2015-03-06
RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN:
COMITÉ DE EXAMINACIÓN APRUEBA NO
APRUEBA
FIRMA
Ing. Carlos Santillán Mariño
PRESIDENTE TRIB. DEFENSA
Ing. Jhonny Orozco Ramos
DIRECTOR DE TESIS
Ing. Ruth Barrera Basantes
ASESORA
* Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.
RECOMENDACIONES:
El Presidente del Tribunal certifica que las condiciones de la defensa se han cumplido.
Ing. Carlos Santillán Mariño
PRESIDENTADEL TRIBUNAL
ESPOCH Facultad de Mecánica
CERTIFICADO DE EXAMINACIÓN DE TESIS
NOMBRE DEL ESTUDIANTE: LUIS MIGUEL MALACATUS ROJAS
TÍTULO DE LA TESIS: “CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN EN LA
ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL, DE UN MÓDULO DIDÁCTICO
PARA EL PROCESO DE LLENADO DE CAJAS PARA LA INDUSTRIA
ALIMENTICIA”
Fecha de Examinación: 2015-03-06
RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN:
COMITÉ DE EXAMINACIÓN APRUEBA NO
APRUEBA
FIRMA
Ing. Carlos Santillán Mariño
PRESIDENTE TRIB. DEFENSA
Ing. Jhonny Orozco Ramos
DIRECTOR DE TESIS
Ing. Ruth Barrera Basantes
ASESORA
* Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.
RECOMENDACIONES:
El Presidente del Tribunal certifica que las condiciones de la defensa se han cumplido.
Ing. Carlos Santillán Mariño
PRESIDENTE DEL TRIBUNAL
DERECHOS DE AUTORÍA
El trabajo de grado que presentamos, es original y basado en el proceso de investigación y/o
adaptación tecnológica establecida en la Facultad de Mecánica de la Escuela Superior Politécnica
de Chimborazo. En tal virtud, los fundamentos teóricos - científicos y los resultados son de
exclusiva responsabilidad de los autores. El patrimonio intelectual le pertenece a la Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo.
Eric Dario Alcivar Jaramillo Luis Miguel Malacatus Rojas
DEDICATORIA
A mis padres que fueron las personas que a los largo de este camino siempre supieron
darme el apoyo necesario, las palabras correctas para no decaer y hacer de mi mejor
persona además me permitieron lograr todas las metas propuestas, a mi hermano por
darme confianza siempre, a mis amigos que fueron parte de este proyecto de una manera
desinteresada, a mi familia que siempre estaba dando una voz de aliento y a todas aquellas
personas que quisieron ver el deber cumplido especialmente a mi director y asesor.
Eric Alcivar Jaramillo
A Dios por ser mi guía, mi inspiración, por protegerme durante todo mi camino y darme
fuerzas para superar obstáculos y dificultades. A mis padres por su amor, sacrificio y por
ser fuente de apoyo constante e incondicional en toda mi vida para apoyarme en todo
momento. A mis hermanos quienes son mi fuerza para seguir adelante.
Luis Malacatus Rojas
AGRADECIMIENTO
Agradecer a Dios por la salud y sabiduría que nos permitió culminar con éxito este
proyecto y nos ayuda a cumplir un logro más en nuestro camino.
De la misma forma queremos expresar nuestra gratitud a la Facultad de Mecánica en
especial a la Escuela de Ingeniería Industrial que nos cobijó en sus aulas impartiéndonos
conocimiento que utilizamos para poder desarrollar nuestra tesis.
A los Ingenieros Jhonny Orozco y Ruth Barrera que estuvieron de forma permanente
pendientes de culminar la misma.
A nuestros padres que son el pilar fundamental en la consecución de este objetivo, por el
apoyo incondicional y permitirnos ser mejores cada día.
Eric Alcivar y Luis Malacatus
CONTENIDO Pág.
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes ....................................................................................................... 1
1.2 Justificación ........................................................................................................ 2
1.3 Objetivos ............................................................................................................. 2
1.3.1 Objetivo general. …. .......................................................................................... 2
1.3.2 Objetivos específicos .......................................................................................... 3
2. MARCO CONCEPTUAL Y TEÓRICO
2.1 Generalidades de sistemas automatizados. ......................................................... 4
2.1.1 ¿Qué son los sistemas automatizados? .............................................................. 4
2.1.2 Componentes de un sistema automatizado.. ....................................................... 7
2.1.3 Funcionamiento de los sistemas automatizados.. ............................................... 9
2.1.4 Aplicaciones de los sistemas automáticos.. ...................................................... 10
2.2 Estructura del PLC ............................................................................................ 10
2.3 Programación del PLC ...................................................................................... 13
2.4 PLC S7-200 ...................................................................................................... 16
2.4.1 Características. ................................................................................................. 17
2.4.2 Aplicaciones.. .................................................................................................... 18
2.4.3 Funcionamiento.. .............................................................................................. 18
2.5 Electro-neumática ............................................................................................. 21
2.6 Sensores ............................................................................................................ 24
2.7 Lógica de programación. .................................................................................. 30
3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MÓDULO E INSTALACIÓN Y
CONEXIÓN DEL SISTEMA
3.1 Fabricación de la estructura base ...................................................................... 32
3.2 Ensamble del sistema mecánico ....................................................................... 41
3.3 Ubicación de los componentes participativos en el sistema. ............................ 42
3.4 Diseño del circuito de control y electro-neumático .......................................... 43
3.5 Instalación del cableado de los dispositivos del proceso y ubicación de señales y
pulsadores de mando. ....................................................................................... 44
3.6 Programación del PLC ...................................................................................... 46
4. MANUAL DE OPERACIÓN, MANTENIMIENTO, SEGURIDAD Y
GUÍAS DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO
4.1 Manual de operación del módulo ..................................................................... 50
4.2 Manual de seguridad de operación del módulo ................................................ 51
4.3 Plan de mantenimiento del módulo .................................................................. 53
4.3.1 Mantenimiento Preventivo ................................................................................ 53
4.3.2 Mantenimiento Correctivo ................................................................................ 58
4.4 Guías de prácticas de laboratorio ...................................................................... 61
5. COSTOS
5.1 Costos de inversión ........................................................................................... 63
5.2 Costos de operación .......................................................................................... 63
5.3 Costos de construcción ..................................................................................... 63
5.4 Gastos varios ..................................................................................................... 65
5.5 Resumen de costos y de gastos ......................................................................... 66
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1 Conclusiones ..................................................................................................... 67
6.2 Recomendaciones ............................................................................................. 67
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
LISTA DE TABLAS
Pág.
1 Representación de una función Y en un controlador lógico en diferentes lenguajes. 30
2 Representación de una función O en controladores lógicos en diferentes lenguajes. 31
3 Autoenclavamiento ................................................................................................... 31
4 Descomposición de la estructura base ...................................................................... 32
5 Alternativas para la selección del motor. .................................................................. 36
6 Criterios para la selección del motor ......................................................................... 36
7 Características del motor reductor ............................................................................ 37
8 Ensamble del módulo parte mecánica ....................................................................... 41
9 Ensamble modulo didáctico parte eléctrica .............................................................. 42
10 Ubicación de señales ................................................................................................. 44
11 Ficha técnica ............................................................................................................. 45
12 Asignación de entradas y salidas del PLC. ............................................................... 46
13 Checklist de inicio de operaciones ............................................................................ 52
14 Motorreductor ........................................................................................................... 58
15 Chumaceras ............................................................................................................... 58
16 Correas ...................................................................................................................... 58
17 Banda transportadora ................................................................................................ 59
18 Caja de rodillos ......................................................................................................... 59
19 PLC ........................................................................................................................... 59
20 Sistema neumático .................................................................................................... 60
21 Bitácora de operaciones ............................................................................................ 61
22 Asignación de entradas y salidas .............................................................................. 62
23 Detalle de costos de operación. ................................................................................. 63
24 Detalle de costos de construcción directos ............................................................... 64
25 Detalle de costos de construcción indirectos ............................................................ 65
26 Detalle de gastos ....................................................................................................... 65
27 Resumen de costos y gastos ...................................................................................... 66
LISTA DE FIGURAS
Pág.
1 Control en lazo cerrado .............................................................................................. 6
2 Control en lazo abierto ............................................................................................... 7
3 Planteamiento de un sistema físico para el control .................................................... 8
4 Sistema de iluminación ............................................................................................ 10
5 Controlador lógico programable .............................................................................. 11
6 Estructura básica del PLC ........................................................................................ 12
7 Ciclo de un PLC ....................................................................................................... 13
8 Programa escrito en lenguaje AWL. ........................................................................ 15
9 Programa en lenguaje KOP. ..................................................................................... 16
10 Comunicación PC con un PLC ................................................................................ 17
11 Conectar la alimentación del S7- 200 ...................................................................... 19
12 Conectar el cable multimaestro ............................................................................... 19
13 Iniciar Step 7 – Micro/win ...................................................................................... 20
14 Elementos de cadena de mando ............................................................................... 21
15 Cilindro de doble efecto ........................................................................................... 24
16 Célula de carga ......................................................................................................... 26
17 Puente Wheatstone interno (sensor resistivo) ......................................................... 27
18 Fuente simétrica ....................................................................................................... 27
19 Acondicionamiento de señal .................................................................................... 28
20 Etapa de control y potencia ...................................................................................... 28
21 Sensor fotoeléctrico de barrera ................................................................................ 29
22 Estructura base ......................................................................................................... 32
23 Desplazamiento estático ........................................................................................... 33
24 Tensión axial y de flexión en el límite superior estático .......................................... 34
25 Factor de seguridad .................................................................................................. 35
26 Tren de rodillos ........................................................................................................ 39
27 Banda transportadora ............................................................................................... 41
28 Norma DIN para montar el plc en la caja térmica ................................................... 42
29 Circuito de control y electro - neumático ................................................................. 43
30 Conexión de cableado del sistema ........................................................................... 44
31 Señales y pulsadores de mando ................................................................................ 45
32 Programación PLC S7-200 Llenadora de cajas ....................................................... 46
33 Caja para el proceso ................................................................................................. 50
SIMBOLOGÍA
ω Velocidad angular rad/s
F Fuerza N
g Gravedad m/s2
P Presión Pa
W Peso N
patm Presión atmosférica Pa
T Voltaje V
Ʈ Torque N m
I Intensidad A
f Frecuencia Hz
LISTA DE ABREVIACIONES
E/S Entradas y salidas
PLC Controlador Lógico Programable
RET Operación de Retorno Absoluto
MPI Interface Multipunto
CP Procesador de Comunicaciones
N/A Normalmente Abierto
N/C Normalmente Cerrado
VDC Voltaje Corriente Directa
VDA Voltaje Corriente Alterna
EPI Elementos de Protección Personal
LISTA DE ANEXOS
A Circuito de amplificación de señal - sensor resistivo.
B Programación Arduino.
C Diseño de circuitos para imprimir.
D Fotografías
RESUMEN
El nuevo modelo de educación superior y desarrollo tecnológico en el que está inmerso
nuestro país, exige la implementación de nuevas formas de aprendizaje de simulación de
procesos industriales y aplicaciones reales con tecnología moderna que permita al
estudiante estar capacitado y ser competitivo para enfrentar los retos que presenta la
industria productiva alimenticia.
Para ello se investigó la manera de automatizar el proceso de llenado de cajas mediante
la programación con el controlador lógico programable PLC SIEMES S7-200, que se
caracteriza por sus múltiples ventajas, su facilidad de manejo y además posee un software
amigable con el usuario STEP7 MICROWIN que está dirigido a los estudiantes que
cursan la cátedra de automatización de procesos.
Se diseñó el módulo didáctico que consta de tres motorreductores, una banda
transportadora, un tren de rodillos, una electroválvula, un cilindro neumático, un sensor
fotoeléctrico, un sensor resistivo que se acopla con un circuito de acondicionamiento de
señal, todo este sistema funciona mediante el PLC y los botones de mando, que
automatiza el proceso de llenado de cajas de 4kg, simulando la actividad en un empresa
alimenticia, para que los estudiantes adquieran experiencia en el uso de nuevas
tecnologías. El módulo cuenta con un programa de mantenimiento preventivo y
correctivo, para mantenerlo correctamente.
Al finalizar este trabajo se automatizo el sistema de llenado, lo que tecnifica el método
de enseñanza-aprendizaje, con lo que se obtiene que en un futuro como profesionales
contribuyan a mejorar y desarrollar la matriz productiva del país.
ABSTRACT
The new model of superior education and technological development in which our
country is immersed requires the implementation of new ways of learning simulation of
real industrial process, and real applications with modern technology that allows the
student to be trained and become competitive to face the challenges that presents the food
production industry.
To get that purpose, it investigated the way how to automate the filling of boxes by
programming with the PLC programmed logic controller SIEMENS S7-200, which
characterizes by its many advantages, ease of handling and also has a friendly software
with the user STEP 7 MICROWIN that is aimed to students whom take the subject of
process automation.
The mechanical training module design contains three reducing engines, a carried band,
a roller train, a solenoid, a pneumatic cylinder, a photoelectric sensor, a resistive sensor
that is connected to a signal conditioning circuit. The whole system works by PLC and
control buttons, which automates the process of filling 4 kg boxes simulating activity in
a food company, so that the students learn by experience in the use of new technologies.
The module has a program of preventive and corrective maintenance to keep it properly.
At the end of this work, the filling system was automated which technifies the method of
teaching – learning and will allow to the new professionals help to improve and develop
the productive area of the country in the future.
1
CAPÍTULO I
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
La Escuela de Ingeniería Industrial busca enmarcar a sus profesionales en la realidad
actual y proyección futura de la demanda productiva nacional, que sean personas capaces
de formar parte del desarrollo tecnológico que vive nuestro país en el área industrial.
Una de las formas más importantes y efectivas para fortalecer la enseñanza adquirida en
la universidad es la construcción e implementación de módulos didácticos para simular
los procesos, con lo cual los estudiantes observen los elementos de la automatización que
son utilizados en el campo laboral industrial y de esta manera estén más capacitados para
enfrentar la vida profesional.
Las personas a lo largo del tiempo crearon herramientas y máquinas que le faciliten la
realización de tareas arduas, pesadas y repetitivas. En los últimos años, la aparición de
máquinas sofisticadas ha dado lugar a un gran desarrollo del campo de la automatización
y el control de las tareas, aplicado ya en muchas máquinas que se manejan diariamente.
Los primeros controladores programables aparecen en la década de los sesenta y fueron
introducidos en sistemas de producción industrial para sustituir paneles de control en base
a relés. Hoy en día los PLC controlan, la lógica de máquinas, plantas y procesos
industriales siendo así un elemento importante en el funcionamiento de una empresa
automatizada.
Al realizar el proyecto de tesis se desea automatizar el llenado de cajas, lo que permitirá
tecnificar y actualizar las prácticas de laboratorio de automatización para estar en
vanguardia con la industria, éste prototipo simula el proceso real de una empresa
alimenticia por lo que es factible aplicarlo con el fin de ahorrar tiempo, reducir costos y
aumentar la matriz productiva en el país, que es uno de los objetivos del plan nacional del
buen vivir, a través de la revolución productiva del conocimiento y el talento humano.
2
1.2 Justificación
La Escuela de Ingeniería Industrial de la Facultad de Mecánica forma estudiantes con
conocimientos concernientes con la automatización de procesos de una manera teórica y
virtual, sin embargo el nuevo modelo de educación superior y del desarrollo tecnológico
en el que está inmerso nuestro país, exige la implementación de un módulo didáctico de
simulación de procesos industriales y aplicaciones reales con tecnología moderna que
permita al estudiante estar capacitado y ser competitivo para enfrentar los retos que
presentan las industrias productiva alimenticia.
La construcción e implementación de este módulo didáctico tiene la finalidad de mejorar
el proceso pedagógico, para que los estudiantes de la escuela puedan combinar el
conocimiento teórico y práctico con la ayuda del prototipo donde se simulará un proceso
de llenado de cajas como se lo realiza en la industria ecuatoriana.
Por este motivo surge la necesidad de iniciar un laboratorio de automatización en la
Escuela de Ingeniería Industrial utilizando un controlador lógico programable siemens
S7-200, que permitirá al estudiante monitorear, inspeccionar y analizar procesos
industriales con las bondades que brindan los PLC con el fin de mejorar la educación y
que vaya acorde con las exigencias actuales.
El módulo didáctico de llenado de cajas tiene varias ventajas entre ellas: se puede
desarmar en varias piezas lo que permitirá desarrollar el ingenio para reconstruirlo las
veces que realicen las prácticas en el laboratorio, además el PLC es reprogramable lo que
significa que el estudiante podrá programarlo indefinidamente hasta conseguir su óptimo
funcionamiento.
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo general. Construir e implementar en la Escuela de Ingeniería Industrial,
un módulo didáctico para el proceso de llenado de cajas para la industria alimenticia.
3
1.3.2 Objetivos específicos:
Conocer el principio de funcionamiento del PLC.
Determinar la secuencia de programación para las prácticas de simulación de los procesos
industriales de llenado de cajas.
Elaborar el diagrama de instalación del módulo con el PLC accesible para los estudiantes.
Elaborar las guías de prácticas para laboratorio.
Elaborar el plan de operaciones y mantenimiento para el módulo.
4
CAPÍTULO II
2. MARCO CONCEPTUAL Y TEÓRICO
2.1 Generalidades de sistemas automatizados.
Las fábricas automatizadas deben proporcionar en sus sistemas: alta confiabilidad, gran
eficiencia y flexibilidad. Una de las bases principales de éstas, es un dispositivo
electrónico llamado Controlador Lógico Programable (PLC). Este dispositivo fue
inicialmente introducido en 1970 y fue evolucionando con nuevos componentes
electrónicos, tales como microprocesadores de alta velocidad, agregándole funciones
especiales para el control de procesos más complejos.
Hoy los “Controladores Programables” son desarrollados usando lo último en diseño de
microprocesadores y circuitería electrónica, lo cual proporciona una mayor confiabilidad
en su operación en aplicaciones industriales, donde existen peligros debido al medio
ambiente, alta repetibilidad, altas temperaturas, ruido ambiente o eléctrico, suministro de
potencia eléctrica no confiable, vibraciones mecánicas. (VALLEJO, 2005).
Dentro del campo de la producción industrial, la automatización ha pasado de ser una
herramienta de trabajo deseable a una herramienta indispensable para competir en el
mercado globalizado. Ningún empresario toma a la ligera la automatización de sus
procesos para aumentar la calidad de sus productos, reducir los tiempos de producción,
realizar tareas complejas, reducir los desperdicios o las piezas mal fabricadas y sobre todo
aumentar la rentabilidad (RUEDAS, 2014).
2.1.1 ¿Qué son los sistemas automatizados? Los sistemas automatizados trasfieren
tareas de producción, realizadas regularmente por operadores humanos a un vinculado de
elementos tecnológicos.
Los sistemas automatizados comprenden dos partes esenciales:
Parte de mando
Parte operativa
5
Parte operativa
Es la parte que maniobra directamente sobre la máquina. Son los elementos que hacen
que la máquina realice todas las operaciones requeridas. Los elementos que forman la
parte operativa son los accionadores de las máquinas como motores, cilindros,
compresores, finales de carrera.
Parte de mando
Por lo general es un controlador lógico programable, aunque pocos años atrás se
utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos
(tecnología cableada). En un sistema automatizado el controlador lógico programable está
en el eje del sistema. El mismo que debe comunicarse con todos los dispositivos del
sistema automatizado (VICTOR, 2011).
Al hablar de sistemas automáticos es necesario definir algunos términos básicos:
Variable controlada y variable manipulada.
La variable controlada es la cantidad o condición que se mide y controla. La variable
manipulada es la cantidad o condición que el controlador modifica para afectar el valor
de la variable controlada. Por lo común, la variable controlada es la salida (el resultado)
del sistema. En el estudio del control, necesitamos definir términos adicionales que
resultan necesarios para describir los sistemas de control.
Procesos.
Se define un proceso como una operación o un desarrollo natural progresivamente
continuo, marcado por una serie de cambios graduales que se suceden uno al otro en una
forma relativamente fija y que conducen a un resultado o propósito determinados.
Sistemas.
Un sistema es una combinación de componentes que actúan juntos y realizan un objetivo
determinado.
6
Perturbaciones.
Una perturbación es una señal que tiende a afectar negativamente el valor de la salida de
un sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema se denomina interna, en tanto
que una perturbación externa se produce fuera del sistema y es una entrada.
Control realimentado.
El control realimentado se refiere a una operación que, en presencia de perturbaciones,
tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y alguna entrada de referencia
y lo continúa haciendo con base en esta diferencia. Aquí solo se especifican con este
término las perturbaciones impredecibles, dado que las perturbaciones predecibles o
conocidas siempre pueden compensarse dentro del sistema (OGATA, 2000).
Figura 1. Control en lazo cerrado
Fuente: ROMERA Pedro. Automatización problemas resueltos con autómatas
programables. p.2
Sistemas de control en lazo cerrado.
Los sistemas de control realimentados se denominan también sistemas de control en lazo
cerrado. En la práctica, los términos control realimentado y control en lazo cerrado se
usan indistintamente. En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador
la señal de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de
realimentación a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor
conveniente. El término control en lazo cerrado siempre implica el uso de una acción de
7
control realimentado para reducir el error del sistema.
Sistemas de control en lazo abierto.
Los sistemas en los cuales la salida no afecta la acción de control se denominan sistemas
de control en lazo abierto. En otras palabras, en un sistema de control en lazo abierto no
se mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada.
Figura 2. Control en lazo abierto
Fuente: ROMERA Pedro. Automatización problemas resueltos con autómatas
programables. p.1
En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se compara con la entrada de
referencia. Por tanto, a cada entrada de referencia le corresponde una condición operativa
fija; como resultado, la precisión del sistema depende de la calibración. Ante la presencia
de perturbaciones, un sistema de control en lazo abierto no realiza la tarea deseada. En la
práctica, el control en lazo abierto sólo se usa si se conoce la relación entre la entrada, la
salida y si no hay perturbaciones internas ni externas. Es evidente que estos sistemas no
son de control realimentado. Observe que cualquier sistema de control que opere con una
base de tiempo es en lazo abierto (ROMERA, 2001).
2.1.2 Componentes de un sistema automatizado. El control en sí mismo es un sistema
físico y por lo tanto se define como un conjunto de elementos que interactúan con el fin
de posibilitar que un sistema cumpla con sus objetivos. Para evitar confusiones con los
sistemas que controla, simplemente se lo llama control.
Los componentes principales del control son:
8
Sensores. Son dispositivos que establecen, detectan parámetros de los sistemas
físicos y envían esta información a un controlador
Controlador. Es el cerebro que además de almacenar información, recibe
información de los sensores, procesa información y envía órdenes a los actuadores
para que accionen sobre el sistema en vista a lograr que este logre sus objetivos.
Actuadores. Son dispositivos que reciben las órdenes por parte del controlador y
accionan o actúan sobre un sistema para controlarlo.
Dependiendo del tipo de sujeto, el control se clasifica en:
Control manual. Cuando un operador humano es el que efectúa el control sobre el
sistema.
Control automático. Cuando no interviene un operador humano, sino son elementos
artificiales los que efectúan el control.
Control semiautomático. Cuando parte del proceso de control es automático y otra
parte es manual.
Planteamiento de un sistema físico para el control
La condición necesaria para que el control de un sistema físico cumpla con su finalidad
es que este sistema funcione correctamente. Para el control los componentes del sistema
físico se consideran dentro de una “caja negra” y más bien se considera al sistema en
forma paramétrica, siendo los parámetros funcionales del sistema, desde el punto de vista
de control los siguientes:
Figura 3. Planteamiento de un sistema físico para el control
Fuente: AGUINAGA Álvaro. Autómatas programables. p.2
9
Salidas. Son parámetros cuantificables que representan los objetivos de un sistema.
Entradas. Son parámetros cuantificables sobre los que se puede actuar
directamente.
Perturbaciones. Son parámetros generalmente del medio ambiente en que funciona
el sistema y que son muy difíciles o imposible de evitarlos. Estos parámetros se
consideran perturbaciones solamente cuando estos afectan significativamente en el
funcionamiento de un sistema.
Señales digitales y analógicas.
Las señales de información transmitidas entre los diferentes componentes y elementos de
un sistema de control se dividen en dos tipos que son:
Señales analógicas: Son señales continuas físicas de la naturaleza.
Señales digitales: Son señales discretas o discontinuas que se encuentran
codificadas.
Dependiendo de cuál de estas señales o información es la predominante en un elemento,
equipo o sistema de control a este se lo define como analógico o digital (AGUINAGA,
2011).
2.1.3 Funcionamiento de los sistemas automatizados. Para que un sistema
automatizado pueda funcionar debe existir la intervención de componentes físicos
conectados o relacionados entre sí, de tal manera que controlen su actuación por sí
mismos, es decir sin que intervengan agentes exteriores (incluyendo el factor humano),
corrigiendo además los posibles errores que se presenten en su funcionamiento.
En la actualidad, cualquier mecanismo, sistema o planta industrial presenta una parte
actuadora, que corresponde al sistema físico que realiza la acción, y otra parte de mando
o control, que genera las ordenes necesarias para que esa acción se lleve o no a cabo. La
mayoría de sistemas automatizados parte de la misma idea que es eliminar la intervención
de la mano del hombre para agilitar los procesos pero el humano es quien programa todos
estos eventos en la memoria de la computadora que debe estar presente en el sistema
también el humano realiza la supervisión y el mantenimiento preventivo. En el
funcionamiento de cualquier sistema automatizado ingresa la parte física que son los
actuadores, motores etc. Los cuales son controlados por una computadora que es quien
10
ejecuta el programa, almacena los datos y envía señales de mando referentes al proceso a
automatizar. El sistema cuenta con entradas y salidas digitales. Las entradas se encargan
de las señales de los dispositivos de campo como son los sensores, interruptores,
transmisores de señal, y las salidas comandan a los actuadores (bombas, cilindros,
motores u otros que formen parte del sistema).
2.1.4 Aplicaciones de los sistemas automáticos. En base a los criterios anteriores se
presentan a continuación ejemplos de planteamientos de sistemas físicos para control en
que se han establecido sus parámetros: entradas, salidas y perturbaciones.
Figura 4. Sistema de iluminación
Fuente: Autores
En la actualidad los sistemas automáticos juegan un gran papel en muchos campos,
mejorando nuestra calidad de vida:
En los procesos industriales:
Aumentando las cantidades y mejorando la calidad del producto, gracias a la
producción en serie y a las cadenas de montaje.
Reduciendo los costes de producción.
Fabricando artículos que no se pueden obtener por otros medios.
2.2 Estructura del PLC
Un controlador lógico programable (PLC) se define como un dispositivo electrónico
digital que usa una memoria programable para guardar instrucciones y llevar a cabo
funciones lógicas, de configuración de secuencia, de sincronización, de conteo y
aritméticas, para el control de maquinaria y procesos (figura 5).
11
Figura 5. Controlador lógico programable
Fuente: Autores
Este tipo de procesadores se denomina lógico debido a que su programación básicamente
tiene que ver con la ejecución de operaciones lógicas y de conmutación. Los dispositivos
de entrada (por ejemplo un interruptor) y los dispositivos de salida (por ejemplo un
motor), que están bajo control, se conectan al PLC; de esta manera el controlador
monitorea las entradas y salidas, de acuerdo con el programa diseñado por el operador
para el PLC y que este conserva en memoria, y de esta manera se controlan maquinas o
procesos.
En un principio, el propósito de estos controladores fue sustituir la conexión física de
relevadores de los sistemas de control lógicos y de sincronización. Los PLC tienen la gran
ventaja de que permiten modificar un sistema de control sin tener que volver a alambrar
las conexiones de los dispositivos de entrada y de salida; basta con que el operador digite
en un teclado las instrucciones correspondientes. Si bien los PLC son similares a las
computadoras, tienen características específicas que permiten su empleo como
controladores.
1. Son robustos y están diseñados para resistir vibraciones, temperatura, humedad y
ruido.
2. La interfaz para las entradas y las salidas está dentro del controlador.
3. Es muy fácil programarlos, así como entender el lenguaje de programación. La
programación básicamente consiste en operaciones de lógica y conmutación
(BOLTON, 2001).
12
Figura 6. Estructura básica del PLC
Fuente: BOLTON W. Mecatrónica. p. 424.
Dentro de la CPU disponemos de un área de memoria, la cual posee “varias secciones”
encargadas de distintas funciones. Así tenemos:
Memoria del programa de usuario donde se introducirá el programa que el PLC que
va a ejecutar cíclicamente.
Memoria de la tabla de datos cuya zona es encargada de atribuir las funciones
específicas del programa. Se suele subdividir en zonas según el tipo de datos (como
marcas de memoria, temporizadores, contadores, etc).
Memoria del sistema donde se encuentra el programa en código de máquina que
monitoriza el sistema (programa del sistema o firmware). Este programa es
ejecutado directamente por el microprocesador/microcontrolador que posea el PLC.
Memoria de almacenamiento, se trata de una memoria externa que empleamos para
almacenar el programa de usuario, y en ciertos casos parte de la memoria de la tabla
de datos. Suele ser de uno de los siguientes tipos: EPROM, EEPROM, o FLASH.
Cada PLC divide su memoria de esta forma genérica, haciendo subdivisiones específicas
según el modelo y fabricante.
El PLC posee un ciclo de trabajo, que ejecutará de forma continua.
13
Figura 7.Ciclo de un PLC
Fuente. AGUINAGA Álvaro. Autómatas Programables. p.11
Generalmente se dispone de dos tipos de Entradas/Salidas (E/S).
Las E/S digitales se basan en el principio de todo o nada, es decir o no conducen señal
alguna o poseen un nivel mínimo de tensión. Estas E/S se manejan con nivel de bits dentro
del programa de usuario.
Las E/S analógicas pueden poseer cualquier valor dentro de un rango determinado
especificado por el fabricante. Se basan en conversores A/D y D/A aislados de la CPU
(ópticamente o por etapa de potencia). Estas señales se manejan a nivel de bytes o palabra
(8/16 bits) dentro del programa de usuario.
Las E/S son leídas y escritas dependiendo del modelo y del fabricante, es decir pueden
estar incluidas sus imágenes dentro del área de memoria o ser manejadas a través de
instrucciones específicas de E/S (VALLEJO, 2005).
2.3 Programación del PLC
Software de los PLC.
Los programas para los PLC comprenden tres partes básicas:
Programa principal.
14
Subrutinas (opcional).
Rutinas de interrupción (opcional).
Estos tienen varios lenguajes de programación de entre los cuales los más importantes
son: KOP (esquema de contactos) y AWL (lista de instrucciones). El programa principal
contiene las operaciones que controlan la aplicación, las cuales se ejecutan en forma
secuencial en cada ciclo. El programa principal termina con una sentencia de finalización
(Bobina absoluta en KOP o sentencia MEND en AWL).
Una subrutina es una secuencia de operaciones que se ejecutan cada vez que son
invocadas en el programa principal. Esta o éstas se colocan al final del programa principal
y terminan con una operación de retorno absoluto (RET). Las rutinas de interrupción son
secuencias de operaciones que se ejecutan cada vez que se presenta el correspondiente
evento de interrupción. Esta o éstas se ubican al final del programa principal y terminan
con una operación de retorno absoluto (RETI). Los lenguajes de programación más
utilizados para los PLC son de dos tipos:
AWL que comprende un juego de operaciones nemotécnicas que representan las
funciones de la CPU.
Este lenguaje contiene una lista de instrucciones en el que cada línea del programa tiene
una operación que utiliza una abreviatura nemotécnica para representar una función de la
CPU. Las operaciones se colocan en secuencia lógica de acuerdo a los requerimientos del
programa.
La programación con este tipo de lenguaje tiene las siguientes reglas:
Cada sección de programación se divide en segmentos, cuya palabra clave es
NETWORK.
Los comentarios se escriben luego de dos barras inclinadas (//). Cada línea adicional
de comentario debe comenzar así mismo con dos barras inclinadas. Finalice cada
línea con pulsando Enter.
La primera columna corresponde a la operación. La operación es una sentencia
lógica.
15
La segunda columna, que se separa de la anterior por un espacio en blanco,
corresponde al operando. El operando es la dirección del dato sobre el que actúa la
operación.
No introduzca espacios entre el área de memoria y su dirección.
Los operandos se separan mediante comas, un espacio en blanco o un tabulador.
Los nombres simbólicos deben ir entre comillas.
Figura 8. Programa escrito en lenguaje AWL.
Fuente: AGUINAGA Álvaro. Autómatas Programables. p.26
KOP es un lenguaje de programación gráfico con componentes similares a los elementos
de los esquemas de circuitos, los cuales conforman un segmento de operaciones lógicas.
Los diagramas que se establecen son similares a gráficos de escalera (LADDER).
Los elementos básicos de un lenguaje KOP son:
Contactos: que representan interruptores por los que circula la corriente cuando está
cerrado. Esto implica que hay dos tipos de contactos: cerrados y abiertos.
Bobinas: que representan a relés que se excitan cuando se aplica voltaje.
Cuadros: que representan una función que se ejecuta cuando la corriente circula por
él. El cuadro puede representar, por ejemplo, un contador, un temporizador, etc.
Segmentos: que constituyen un circuito completo. La corriente circula desde la
barra de alimentación ubicada a la izquierda pasando por los contactos cerrados
para excitar las bobinas o cuadros.
16
Figura 9. Programa en lenguaje KOP.
Fuente: Step 7/Microwin
Debe señalarse que un mismo programa puede ser escrito sea en lenguaje KOP o en AWL.
Una vez escrito el programa el software permite compilarlo para revisar la sintaxis lógica,
de tal manera que si existen errores estos tienen los mensajes respectivos que permiten
corregirlos.
El software instalado en el ordenador permite cambiar automáticamente el programa
escrito en KOP o en AWL, al elegir el comando respectivo y realizar los cambios de
presentación requeridos, como por ejemplo: operaciones y direcciones escritos
completamente en mayúsculas, tabuladores entre las operaciones y las direcciones, entre
otros (AGUINAGA, 2011) (BOLTON, 2001).
2.4 PLC S7-200
La CPU S7-200 es un aparato autónomo compacto que incorpora una unidad central de
procesamiento (CPU), la fuente de alimentación, así como entradas y salidas digitales.
La CPU ejecuta el programa y almacena los datos para la tarea de automatización
o el proceso.
La fuente de alimentación proporciona corriente a la unidad central y a los módulos
de ampliación conectados.
Las entradas y salidas controlan el sistema de automatización. Las entradas vigilan
las señales de los aparatos de campo (por ejemplo sensores e interruptores) y las
salidas vigilan las bombas, motores u otros dispositivos del proceso.
17
La interface de comunicación permite conectar la CPU a una unidad de
programación o a otros dispositivos. Algunas CPU disponen de dos o más interfaces
de comunicación.
Los diodos luminosos indican el modo de operación de la CPU (RUN o STOP), el
estado de las entradas y salidas integradas, así como los posibles fallos del sistema
que se hayan detectado.
Si desea conectar utilizar un PC como unidad de programación del PLC, se debe disponer
de equipos adicionales para lograr la comunicación como por ejemplo: un cable PC/PPI,
un procesador de comunicaciones (CP) y un cable de interface multipunto (MPI), una
tarjeta de interface multipunto (MPI).
Figura 10. Comunicación PC con un PLC
Fuente: AGUINAGA Álvaro, autómatas programables. p.9
2.4.1 Características.
Simatic s7-200 – Hardware.
Concepción modular – solución a medida.
Pequeño, compacto y potente, extraordinaria respuesta en tiempo real.
Robusto y confiable, sin partes móviles, ideal para ambiente industrial.
Extraordinaria conectividad.
Programación sencilla por software amigable con asistentes.
Alto nivel de prestaciones.
Conexionado sencillo por borneras integradas.
Posibilidad de manejo de procesos analógicos.
Puerto RS 485 integrado o empleo como bus de sistema (BIANCO, 2006).
18
Simatic s7-200 – Software.
STEP 7-Micro/WIN.
Gran facilidad de uso.
Estándar Windows.
Parametrizar en lugar de programa: los asistentes.
Gran repertorio de instrucciones, aplicables por simple «arrastrar & colocar».
Función de visualización de estado para lenguajes AWL, KOP y FUP (SIEMENS,
2004).
2.4.2 Aplicaciones. El PLC, por sus características específicas de diseño, tiene un área
extensa de aplicación. La evolución constante del hardware y software amplifican
continuamente el campo de operación satisfaciendo las necesidades que se detectan en el
aspecto de sus posibilidades reales.
Su utilización, se da primordialmente en aquellas instalaciones en donde es necesario
efectuar procesos de maniobra, control, señalización, etc. Por lo tanto, su aplicación
contiene desde procesos de fabricación industrial de cualquier tipo al de transformaciones
industriales, control de instalaciones (VALLEJO, 2005).
2.4.3 Funcionamiento. Conectar el S7-200 es muy fácil conectar el S7-200. En el
presente ejemplo, basta con conectar la alimentación del S7-200 y utilizar el cable de
comunicación para unir la unidad de programación y el S7-200.
Conectar la alimentación del S7-200
Primero que todo es preciso conectar el S7-200 a una fuente de alimentación. La figura
muestra el cableado de una CPU S7-200 con alimentación c.c. (corriente continua) o c.a.
(corriente alterna). Antes de montar o desmontar cualquier aparato eléctrico, vigile que
se haya desconectado la alimentación del mismo. Respete siempre las medidas de
seguridad necesarias y verifique que la alimentación eléctrica del S7-200 se haya
desconectado antes del montaje. Los plc se pueden por lo general conectarse a 110 voltios
de corriente alterna pero tienen un área para conectar elementos que trabajen a 24 voltios
de corriente continua.
19
Figura 11. Conectar la alimentación del S7- 200
Fuente: Manual Siemens S7-200
Conectar el cable multimaestro RS-232/PPI
La figura 12 muestra un cable multimaestro RS-232/PPI que conecta el S7-200 con la
unidad de programación, para ellos se debe realizar el siguiente procedimiento.
1. Una el conector RS-232 (identificado con “PC”) del cable multimaestro RS-
232/PPI al puerto de comunicación de la unidad de programación. (En el presente
ejemplo, conectar a COM 1.)
2. Una el conector RS-485 (identificado con “PPI”) del cable multimaestro RS-
232/PPI al puerto 0 ó 1 del S7-200.
3. Vigile que los interruptores DIP del cable multimaestro.
Figura 12.Conectar el cable multimaestro
Fuente: Manual Siemens S7-200
Iniciar STEP 7-Micro/WIN.
Haga clic en el icono de STEP 7-Micro/WIN para abrir un nuevo proyecto La figura
muestra un nuevo proyecto. Aprecie la barra de navegación. Puede utilizar los iconos de
la barra de proyecto de STEP 7-Micro/WIN. En la barra de navegación, haga clic en el
20
icono “Comunicación” para abrir el cuadro de diálogo correspondiente. Utilice el cuadro
de diálogo de la figura 17 para configurar la comunicación de STEP 7-Micro/WIN.
Figura 13. Iniciar Step 7 – Micro/win
Fuente: Step 7 – micro/win
Verificar los parámetros de comunicación de STEP 7-Micro/WIN.
En el proyecto de ejemplo se utilizan los ajustes estándar de STEP 7-Micro/WIN y del
cable multimaestro RS-232/PPI. Para verificar los ajustes:
1. Vigile que la dirección del cable PC/PPI esté ajustada a 0 en el cuadro de diálogo
“Comunicación”.
2. Vigile que la interfaz del parámetro de red esté configurada para el cable PC/PPI
(COM1).
3. Vigile que la velocidad de transferencia esté ajustada a 9,6 kbit/s.
Establecer la comunicación con el S7-200
Utilice el cuadro de diálogo “Comunicación” para establecer la comunicación con el S7-
200.
1. En el cuadro de diálogo
“Comunicación”, haga doble clic en el icono “Actualizar”. Step 7-Micro/win buscará el
S7-200 y visualizará un icono “CPU” correspondiente a la CPUS7-200 conectada.
2. Seleccione el S7-200 y haga clic en “Aceptar”.
Barra de
navegación
Icono
“comunicación
”
21
Si Step 7-Micro/win no encuentra el S7-200, verifique los parámetros de comunicación y
repita los pasos descritos arriba (SIEMENS, 2008).
2.5 Electro-neumática
En electro-neumática, la energía eléctrica suple a la energía neumática como el elemento
natural para la generación y transmisión de las señales de control que se ubican en los
sistemas de mando.
Los elementos que ingresan en los sistemas están compuestos fundamentalmente para la
manipulación y acondicionamiento de las señales de voltaje y corriente que deberán de
ser transmitidas a dispositivos de conversión de energía eléctrica a energía neumática para
lograr la activación de los actuadores neumáticos.
La electro-neumática es una de las técnicas de automatización que está formando parte
importante en la optimización de los procesos industriales. Con el avance de las técnicas
de electricidad y la electrónica se produjo la fusión de métodos y dando así el inicio de
los sistemas electro-neumáticos en la industria, los cuales resultaban más compactos y
óptimos a diferencia de los sistemas puramente neumáticos. Dentro de los elementos de
un sistema electro-neumático es importante reconocer la cadena de mando para elaborar
un correcto esquema de conexiones (MORALES, 2014).
Figura 14. Elementos de cadena de mando
Fuente: Festo, fundamentos de electro-neumática. p.1
22
Dispositivos que participan en un sistema electro-neumático básico.
Contactos eléctricos NA/NC.
Sensores.
Pulsadores e interruptores.
Electroválvulas.
Cilindros de simple y doble efecto.
Válvulas lógicas y de secuencia.
Temporizadores.
Relés.
Fuentes de energía (neumática y eléctrica) (MORALES, 2014).
Aire comprimido
El aire comprimido que se aplica en la industria proviene del exterior. Se comprime hasta
una presión de trabajo de unos 6 bares, con relación a la presión atmosférica, y se designa
presión relativa.
Presión absoluta = Presión atmosférica + Presión relativa
Propiedades del aire comprimido
Velocidad y presión variable.
No es necesario sustituir ni reciclar.
Sencillamente transportable por tuberías.
Amplias temperaturas de operación.
No presenta riesgo de incendio ni explosión.
Es limpio y no se requieren líneas de retorno.
Los componentes neumáticos son más sencillos de producir y tienen un menor
importe económico.
Las desventajas del aire como fluido son las siguientes
Antes de utilizar el aire comprimido, es necesario eliminar partículas abrasivas,
impurezas y humedad que pueda tener en suspensión.
23
Los circuitos neumáticos no son convenientes en trabajos de alta presión.
El escape de aire produce ruidos molestos.
Cuando el compresor mantiene varias horas de trabajo, el aceite de escape se puede
mezclar con el aire comprimido y ser expulsado de la instalación (CLAUDIO,
2013).
Compresores
Los compresores son máquinas que tienen por finalidad aportar una energía a los fluidos
incompresibles (gases y vapores) sobre los que operan, para hacerlos fluir aumentando al
mismo tiempo su presión, un compresor admite gas o vapor a una presión p1 dada,
descargándolo a una presión p2 superior. (DÍEZ, 2014)
Filtro regulador
Para el tratamiento del aire comprimido se utiliza un filtro de aire, un regulador de presión
y un lubricador de aire a presión. Estos 3 elementos se combinan en una unidad conocida
como “unidad de mantenimiento”. Esta tiene la función de acondicionar el aire a presión
y se antepone al mando neumático.
Elementos de transporte
Son los encargados de llevar el fluido en los circuitos hasta los puntos de consumo. Son
las tuberías. El material debe ser lo suficientemente resistente para tolerar la presión del
aire en su interior, demás debe presentar una superficie lisa en su interior.
Válvulas 5x2.
Con esta válvula se puede comandar un cilindro de doble efecto.
Cilindros neumáticos
La energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un movimiento
lineal de vaivén. Disponen de un tubo cilíndrico cerrado, dentro del cual hay un embolo
24
que se desplaza fijo a un vástago que lo atraviesa.
Cilindro de doble efecto
Este tipo de cilindro trabaja en los dos sentidos, cuando el aire entra produce una fuerza
y desaloja el aire que está en la otra cámara. El retroceso y desalojo del aire se produce
cuando el aire entra por el otro orificio.
Para que el pistón se pueda mover, es necesario que entre aire a una de las cámaras y que,
por la otra, salga a la atmósfera (VILLALVA, 2014).
Figura 15.Cilindro de doble efecto
Fuente: Autores
Electroválvulas
Las electroválvulas resultan del acoplamiento de sistema electromecánico (solenoide –
electroimán de accionamiento) a una válvula de distribución neumática elemental
convirtiéndola en una de accionamiento eléctrico (MORALES, 2014).
Tipos
Monoestable
Biestables
2.6 Sensores
Un sensor convierte una señal física de un tipo en una señal física de otra naturaleza. Por
ejemplo una termocupla produce un voltaje que está relacionado con la temperatura, así
25
mismo en una resistencia metálica se aprovecha el fenómeno de variación de la resistencia
con la temperatura para producir una señal de voltaje que sea proporcional a la
temperatura.
Características de los sensores
Cuando se diseñan sistemas de adquisición de datos con computadora, hay aspectos a
cerca de los sensores que es necesario tener en cuenta:
La naturaleza de la señal que el sensor genera.
La influencia de las señales de ruido así como los efectos de carga del hardware de
adquisición de datos sobre el sensor.
La calibración del sensor con respecto a la variable física.
La interdependencia entre los distintos componentes del sistema de adquisición de
datos.
La precisión del sensor.
El tiempo de respuesta del sensor.
El coeficiente de temperatura del sensor.
La histéresis de un sensor.
Sensores resistivos
Los sensores basados en la variación de la resistencia de un dispositivo son probablemente
los más abundantes. Esto se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al
valor de la resistencia eléctrica de un material.
En consecuencia, ofrecen una solución válida para numerosos problemas de medida. En
el caso de los resistores variables con la temperatura ofrecen también un método de
compensación térmica aplicable en los sistemas de medidas de otras magnitudes.
Para la clasificación de los diversos sensores resistivos se toma como criterio el tipo de
magnitud física a medir. El orden seguido es el de variables mecánicas, térmicas
magnéticas, ópticas y químicas (CÓRDOVA, 2014).
26
Acondicionamiento de sensores resistivos
Los sensores resistivos deben ser conectados a circuitos de interfaz adecuado para poder
aprovechar o medir el parámetro variado. Tradicionalmente no se suele medir la
resistencia que varía, sino la variación de otro parámetro que depende de esta, como la
tensión, la corriente o la frecuencia.
Los métodos de acondicionamiento se clasificarán en tres grupos:
a) Divisor de tensión.
b) Puente de Wheatstone
c) Amplificadores para puente de sensores (MORALES).
Aplicaciones
Figura 16. Célula de carga
Fuente: http://www.anapesing.es/fotos/pesas/modelo_160_zoom.jpg
Piezas metálicas para medir Peso (Fuerza) y presión.
Están basadas en puentes de galgas pegadas a la pieza cuyos terminales son
accesibles para poder excitar y medir el desequilibrio del puente.
Detectan cambios en torno a 500 – 2000 µε
Usados en el pesaje de tanques, silos y grandes pesos industriales. Los fabricantes
especifican la sensibilidad de una forma indirecta que no es la habitual.
27
Suelen indicar la sensibilidad del puente que contienen en función de la tensión de
alimentación (VELASCO, 2013).
Circuito de acondicionamiento de señal
El puente de Wheatstone se utiliza para medir la variación de resistencia eléctrica en
sensores resistivos.
Figura 17. Puente Wheatstone interno (sensor resistivo)
Fuente: Autores
Figura 18. Fuente simétrica
Fuente: Autores
28
Figura 19. Acondicionamiento de señal
Fuente: Autores
Figura 20. Etapa de control y potencia
Fuente: Autores
Revisar anexo A, B y C, de los diagramas completos.
Sensores fotoeléctricos
Los sensores de luz se usan para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida
representativa respecto a la cantidad de luz detectada. Los sensores fotoeléctricos,
también llamados fotocélulas, tienen un uso muy extendido en la industria. Son
económicos, fiables y fáciles de instalar y mantener.
29
Figura 21. Sensor fotoeléctrico de barrera
Fuente:http://ab.rockwellautomation.com/resources/images/allenbradley/gl/medlrgprod/
45BRD_LaserMeasurementSensorFamily_front1-large_312w255h.jpg
Un sensor fotoeléctrico tiene la capacidad de captar luz y activar o desactivar una señal
en función de los valores de esa luz. Como en la industria la fiabilidad es esencial, se
utilizan sensores de lazo cerrado, es decir que utilizan un emisor y un receptor
sincronizados.
La forma más habitual de conectar los sensores fotoeléctricos, en el caso de máquinas
complejas que utilizan autómatas, es suministrando alimentación al emisor (normalmente
24Vdc), y lo mismo para el receptor. El receptor, además, tiene un hilo para la salida de
señal. En el caso de que emisor y receptor se encuentren en la misma caja, el emisor toma
la corriente del mismo receptor, por lo que solamente se utilizan tres hilos en total.
Aplicaciones
Detectar el paso de un producto.
Controlar que la altura o la anchura de un producto sea la adecuada.
En envasadoras, para detectar que una bobina de plástico o papel está agotada.
Ajustar la distancia de un elemento móvil.
Como final de carrera sin contacto (VILARDELL, 2014).
30
2.7 Lógica de programación.
La lógica programable, es una familia de componentes que contienen conjuntos de
elementos lógicos (AND, OR, NOT, etc.) que pueden configurarse para que cumplan
cualquier función lógica que el usuario desee y que el componente soporte.
Las funciones básicas
Entre las funciones básicas encontramos las siguientes funciones
AND
OR
AUTO-ENCLAVAMIENTO
La función Y (AND)
Se denomina una función Y cuando al activar TODAS las entradas se activa la salida. La
tabla de verdad muestra los distintos estados que pueden tomar las entradas y las salidas.
Tabla 1. Representación de una función Y en un controlador lógico en diferentes
lenguajes
Representación en lenguaje KOP
Representación en lengua AWL
Representación en lengua FUB
Fuente: Autores
La función O (OR). Se denomina una función O cuando al activar CUALQUIERA de
las entradas se activa la salida.
31
Tabla 2. Representación de una función O en controladores lógicos en diferentes
lenguajes.
Representación en lenguaje KOP
Representación en lengua AWL
Representación en lengua FUB
Fuente: Autores
Autoenclavamiento
Una vez enclavada la salida esta se mantiene energizada así hasta que sea desenclavada.
Tabla 3. Autoenclavamiento
Representación en lenguaje
KOP
Representación en lengua AWL
Representación en lengua FUB
Fuente: Autores
32
CAPÍTULO 3
3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MÓDULO E INSTALACIÓN Y
CONEXIÓN DEL SISTEMA.
3.1 Fabricación de la estructura base
Se podrá realizar tomando en cuenta los planos, además revisar las tablas 6.
Tabla 4. Descomposición de la estructura base
N°
Elemento Nombre Material
Dimensiones
(mm) Operaciones
1 Larguero Perfil (tubo
cuadrado)
Revisar planos Cortar, pulir, soldar,
masillar, lijar, pintar
2 Parantes Perfil (tubo
cuadrado)
Revisar planos Cortar, pulir, soldar,
masillar, lijar, pintar
3 Nervios Perfil (tubo
cuadrado)
Revisar planos Cortar, pulir, soldar,
masillar, lijar, pintar
Fuente: Autores
Figura 22. Estructura base
Fuente: Autores.
33
Análisis estático del módulo didáctico
Desplazamiento estático (módulo didáctico)
Figura 23. Desplazamiento estático
Fuente. Solidworks
Nombre de modelo: Part1 Nombre de estudio: Static 1 (-Predetermiando <As machined>-) Tipo de resultado: Desplazamiento estático Displacement1 Escala de deformación: 2066.44
34
Tensión axial y de flexión en el límite superior (módulo didáctico)
Figura 24. Tensión axial y de flexión en el límite superior estático
Fuente. Solidworks
Nombre de modelo: Part1 Nombre de estudio: Static 1 (-Predetermiando <As machined>-)
Tipo de resultado: Tensión axial y de flexión en el límite superior Stress 1 Escala de deformación: 2066.44
35
Factor de seguridad (módulo didáctico)
Figura 25. Factor de seguridad
Fuente. Solidworks
Nombre de modelo: Part1 Nombre de estudio: Static 1 (-Predetermiando <As
machined>-) Tipo de resultado: Factor de seguridad Factor of safety1 Criterio: Automático Distribución de factor de seguridad: FDS min = 34
36
Selección de motores
Tabla 5. Alternativas para la selección del motor.
Alternativa 1
Motor con transmisión por bandas
Alternativa 2
Motorreductor
Fuentes: Autores
Calificación
Alta = 3 media = 2 baja = 1
Tabla 6. Criterios para la selección del motor
Criterio Alternativa
1
Alternativa
2
Regularidad perfecta en la velocidad como en la
potencia transmitida 2 3
Eficiencia en cuanto a potencia y torques
transmitidos 2 3
Seguridad en la transmisión, reduciendo costos de
mantenimiento. 1 3
Menor espacio requerido y mayor
rigidez en el montaje 1 3
Menor tiempo requerido para su
instalación y mantenimiento 2 3
Confiabilidad y vida útil 2 3
Calificación 10 18
Fuente: Autores
37
Tomando en cuenta los criterios expuestos, se selecciona la alternativa 2 que corresponde
al motorreductor debido a las facilidades para instalar y es adecuado para el trabajo.
Características del motor reductor.
Tabla 7 Características del motor reductor
Marca Lafert
Voltaje 110/220 VAC
Amperaje 3.3 / 1.7 A
Potencia 1/4 Hp – 0.18kW
Hz 60
Sistema Monofásico
RPM 1600
RPM (en la caja) 26.66
Cos φ 0.85
Fuente: Autores
Cálculos de torque
Datos
Rpm eje del motor = 1600 rpm caja reductora = 26.66
Potencia = ¼ Hp
Potencia
𝑃 =1
4𝐻𝑝 ×
745.7𝑊
1𝐻𝑝
𝑃 = 186.42 𝑊
Torque
𝜏 =𝑃
𝜔 (1)
38
Potencia = W
Velocidad angular = ω
Torque en el eje del motor
𝜏 = 186.42𝑊
167.55𝑟𝑎𝑑
𝑠
= 1.11 𝑁𝑚
Torque en la caja reductora
𝜏 = 186.42 𝑊
2.79 𝑟𝑎𝑑
𝑠
= 66.81 𝑁𝑚
Velocidad
𝑣 = 𝜔 𝑥 𝑟 (2)
𝑣 = 2.79𝑟𝑎𝑑
𝑠𝑒𝑔 . 12.7 𝑚𝑚 𝑥
1𝑚
1000𝑚𝑚
𝑣 = 0.035 𝑚/𝑠
Tabla 10. Tren de rodillos
Fuente: Autores
N°
elemento Nombre Material
Dimensiones
(mm) Operaciones
1 Eje Varilla redonda lisa Revisar planos Cortar, mecanizar.
2 Bocines Eje de transmisión Revisar planos Cortar, mecanizar
3 Rodamientos Acero Revisar planos Comprado
4 Bocines Acero Revisar planos
Cortar, mecanizar
5 Raches Acero Ø= 22 Comprado
6 Tubo Tubo redondo Ø= 50.8 Cortar, pulir
8 Rodillos Varios Revisar planos Ensamblar todos
los elementos
39
Figura 26. Tren de rodillos
Fuente: Autores
Transmisión por cadena.
Calificación
Alta = 3 media = 2 baja 1
Tabla 11. Selección del sistema de transmisión por cadena
Criterio Cadena Banda
Deslizamiento 1 3
Desgaste 1 3
Necesidad de tensión inicial 1 3
Vida útil 3 2
Facilidad en mantenimiento correctivo 3 1
Deformación con el uso 2 3
Calificación 11 15
Fuente: Autores
Tomando en cuenta la tabla de ponderaciones la transmisión por cadena para el sistema
de rodillos es la más idónea porque presenta mejores características técnicas para el
trabajo a desempeñar.
40
Selección de la banda transportadora
Velocidad en la banda transportadora
El motorreductor utilizado en el módulo didáctico gira a 1600 rpm pero con la caja
reductora su relación de transmisión es de 1:60 nos da 26.66 rpm esta velocidad se conecta
directo al eje de transmisión con rodillo de la banda transportadora. El motorreductor gira
a las mismas revoluciones que la banda 26.66 rpm. Transformamos esta velocidad a rad/s
con lo cual obtenemos 2.79 rad/s. Una vez obtenida la velocidad angular, la
transformamos a velocidad lineal con la siguiente ecuación:
𝑉 = ⍵ 𝑥 𝑟
𝑉 = (2.79 𝑟𝑎𝑑
𝑠) 𝑥 1𝑖𝑛 𝑥 0,254m/in
𝑉 = 0,07m/𝑠
De acuerdo a la norma UNE 18025, la velocidad de una banda para transportar peso ligero
varía entre 0.05 m/s y 1 m/s. Para el módulo de llenado de cajas se selecciona una
velocidad de 0,07 m/s ya que así se podrá apreciar el proceso con mejor detalle.
Ancho de la banda transportadora
El ancho es normalizado para cualquier tipo de banda y lo seleccionamos de la siguiente
tabla:
Tabla 12. Anchos de Banda
Anchos de bandas normalizados (mm)
150 200 300 500 600 650 800 1000 1200 1600
Fuente: Norma UNE 18025
Se ha seleccionado un ancho de banda de 300 mm para el transporte del producto que se
vaya a llenar por tratarse de un módulo didáctico. Se utiliza el sistema de transportación
por banda ya que es el más adecuado para la transportación de frutas con cascara y que
presenten buena resistencia a la penetración.
41
Las características de la banda son las siguientes
Banda de CAUCHO/LONA
Espesor de 1.5 mm
Acabado liso
Uso más común
Buena adherencia
Excelente resistencia a la rotura, impacto, corte, temperatura, alta flexibilidad, resistente
a la humedad y no interfiere con sistemas de detección de metales.
Figura 27. Banda transportadora
Fuente: Autores
3.2 Ensamble del sistema mecánico
Tabla 8. Ensamble del módulo parte mecánica
N°
elemento Nombre Material
Dimensiones
(mm) Operaciones
1 Estructura base Perfil (tubo
cuadrado) Revisar planos Ensamblar
2 Tren de rodillos Varios Revisar planos Montar
3 Eje 1 Eje de transmisión Revisar planos Cortar, mecanizar
4 Eje 2 Eje de transmisión Revisar planos Cortar, mecanizar
5 Chumaceras Acero ∅ = 25,4 Comprado
6 Pernos y tuercas Acero Varias Comprado
7 Banda Caucho y lona 1 m Cortar, vulcanizar,
templar
42
Tabla 8. (Continuación)
8 Tol Acero 𝑒 = 0.5 Cortar, doblar, montar
9 Motorreductores Varios ---- Comprar, montar
Fuente: Autores
3.3 Ubicación de los componentes participativos en el sistema.
Tabla 9. Ensamble modulo didáctico parte eléctrica
N°
Elemento Nombre Material
Dimensiones
(mm) Operaciones
1 Caja térmica Tol 400 x 300 Comprado
2 PLC Varios ---- Comprado
3 Cilindro de
doble efecto Acero ---- Comprado
4 Electroválvula Varios ---- Comprado
5 Sensor de
peso Varios ---- Diseñado
6 Sensor
fotoeléctrico Plástico ---- Comprado
7 Contactores Varios ---- Comprado
Fuente: Autores
Figura 28. Norma DIN para montar el plc en la caja térmica
Fuente. Autores
43
3.4 Diseño del circuito de control y electro-neumático
Figura 29. Circuito de control y electro - neumático
Fuente: Autores
El diagrama permite que se realice la conexión correcta de todos los elementos
CO
M OU
T0
OU
T1
OU
T2
OU
T3
OU
T4
OU
T5
OU
T6
OU
T7
1-1OC1
CO
M
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
1-1IC1
2A
Motor_1
Lu
z_
en
ce
nd
ido
co
nta
cto
r_1
NC2
co
nta
cto
r_3
co
nta
cto
r_2
2A
12A
12A
Motor_2 Motor_3
Fo
tos
en
so
r
Pe
so
electrovalvula
co
nta
cto
r_1
Te
rmic
o_
1
co
nta
cto
r_2
co
nta
cto
r_3
co
nta
cto
r_2
co
nta
cto
r_1
ele
ctr
ov
alv
ula
Te
rmic
o_
1
Te
rmic
o_
3
Te
rmic
o_
2
Te
rmic
o_
1
Te
rmic
o_
2
Te
rmic
o_
2
Te
rmic
o_
3
Te
rmic
o_
3c
on
tac
tor_
3
NA NC1
Pe
so
Fo
tos
en
so
r
44
3.5 Instalación del cableado de los dispositivos del proceso y ubicación de
señales y pulsadores de mando.
Tabla 10. Ubicación de señales
N° elemento Nombre Material Dimensiones
(mm) Operaciones
1 Cable Cobre # 16 Comprado
2 Conectores Cobre ---- Comprado
3 Canaletas Plástico 2500 Comprado
4 Pulsadores Plástico – metal ---- Comprado
5 Luz piloto Varios ---- Comprado
6 Botonera Plástico ---- Comprado
Fuente: Autores
Figura 30. Conexión de cableado del sistema
Fuente: Autores
45
Figura 31. Señales y pulsadores de mando
Fuente: Autores
Ficha técnica del módulo didáctico
Tabla 11. Ficha técnica
Fuente: Autores
ELEMENTOS Longitud 2.28 m
Ancho 0.70 m
Altura 1.40 m
Ancho 0.3 m
Longitud 1.62 m
M aterial CAUCHO/LONA
Empalme VULCANIZADO
Ancho 0.23 m
Longitud 2.30 m
M aterial CAUCHO
Voltaje 110 V
Hz 60
Amperaje 3.3/1.7 A
Potencia 1/4 HP - 0.18 Kw
Rpm 1600
M arca LAFERT
Sistema M ONOFASICO
Relación 1 : 60 .
E / S 6 / 8 .
Voltaje 110 V
Distancia de detección 10 metros
Detección de objetivo M ateriales opacos de mínimo 16 mm
Histéresis M ax 20% para detectar la distancia.
Tiempo de respuesta M ax 20 ms
Voltaje de alimentación de la fuente AC 90 - 250V
Voltaje de alimentación al sensor DC 24V
Sensibilidad -----------------
M odo de operación Light on/off select by slide switch
Salida de contro l Salida de contacto de relé
Cable diámetro 6mm
Protección IP50 (IEC), IP50 (IEC Standard)
Autodiagnóstico de salida El LED verde se enciende en funcionamiento inestable
SENSOR
FOTOELÉCTRICO
FICHA TÉCNICA
MÓDULO DIDÁCTICO / LLENADORA DE CAJAS
CARACTERISTICAS
M ÓDULO
(ESTRUCTURA)
BANDA
TRANSPORTADORA
CORREAS
M OTORREDUCTOR
ELÉCTRICO
PLC SIEM ENS
S7-200 CPU 222
46
3.6 Programación del PLC
Tabla 12. Asignación de entradas y salidas del PLC.
Asignación de entradas y salidas
E/S Variable Nombre Función
Entrada I0 Na Pulsador de inicio
Entrada I1 Nc1 Parada
Entrada I2 Nc2 Parada de emergencia
Entrada I3 Foto sensor Detección de cajas
Entrada I4 Peso Sensor resistivo (peso)
Salida Q0 Motor 1 Arrastre de cajas
Salida Q1 Motor 2 Banda transportadora
Salida Q2 Motor 3 Tren de rodillos
Salida Q3 Electroválvula Accionamiento del cilindro
Salida Q4 Encendido Luz de encendido
Fuente: Autores
Figura 32. Programación PLC S7-200 Llenadora de cajas
47
48
49
Fuente: Step7/Microwin
50
CAPÍTULO 4
4. MANUAL DE OPERACIÓN, MANTENIMIENTO, SEGURIDAD Y
GUÍAS DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO.
4.1 Manual de operación del módulo
Es recomendable que al iniciar la manipulación del módulo didáctico se lea
minuciosamente el manual de operación, seguridad y mantenimiento.
Indicaciones Generales
Previo a la práctica se debe tener un cartón con una capacidad de 4kg, de medidas
200mm x 250mm x 330mm.
Figura 33. Caja para el proceso
Fuente: https://conciertaciencia.wordpress.com/2013/12/23/carton-material-integrador/
Se debe tener la cantidad suficiente de producto para realizar la práctica.
Es necesario una fuente de energía eléctrica.
Verificar que el modulo se encuentre libre de elementos extraños para evitar fallos
en el funcionamiento.
1El PLC debe contener la programación para iniciar la operación del módulo.
El usuario deberá tener una charla de inducción antes de iniciar la operación y
además conocimientos previos acerca de automatización.
Tomar en cuenta todas las medidas de seguridad que serán detalladas en el manual
de seguridad.
51
Operación eléctrica
La electroválvula, los motores y luces piloto funcionan a 110 VAC.
Los sensores y los pulsadores funcionan a 24 VDC.
El PLC no requiere una fuente de alimentación externa.
La fuente de salida del PLC de 24 VDC puede utilizarse para alimentar sensores.
Operación neumática
La presión de trabajo es de 6 bares, el mismo que es regulado en el FR.
Comprobar la conexión correcta de la electroválvula.
Es importante calibrar los reguladores de presión que posee el cilindro neumático
antes de conectar las mangueras.
Antes de conectar y desconectar el modulo didáctico se debe proceder con la
alimentación neumática apagada.
4.2 Manual de seguridad de operación del módulo
El operario deberá usar de manera obligatoria el equipo de protección individual (EPI),
lo que garantizara la seguridad del operario, recuerde que los equipos poseen dispositivos
eléctricos, mecánicos y neumáticos que representan riesgos potenciales los cuales deben
ser contrarrestados tomando las medidas de precaución necesarias que se detallan es este
manual.
Los elementos de protección individual que debe utilizar el operador son:
Guantes.
Gafas de seguridad.
Ropa adecuada de trabajo.
Protocolo de seguridad: antes de iniciar procedimientos en el módulo didáctico se
recomienda llenar la checklist de inicio de operaciones para poder verificar que todos los
elementos estén funcionando correctamente o si alguno necesita de algún tipo de
mantenimiento.
52
Tabla 13. Checklist de inicio de operaciones
Fuente: Autores
MOTOR 1 OK REV MAN NOTA MOTOR 2 OK REV MAN NOTA
Conexiones eléctricas del motor Conexiones eléctricas del motor
Fugas de aceite en reductor Fugas de aceite en reductor
Pernos de sujeción de motor Pernos de sujeción de motor
Limpieza del motor Limpieza del motor
Condiciones de chumaceras Condiciones de chumaceras
Puntos de engrase de chumaceras Puntos de engrase de chumaceras
Engrase de Chumaceras Engrase de Chumaceras
Prisioneros ajustados de chumaceras Prisioneros ajustados de chumaceras
Pernos de sujeción de chumaceras Pernos de sujeción de chumaceras
Condiciones de la banda Condiciones de las bandas
Tensores de la banda Tensores de las bandas
Tensión de la banda Tensión de las bandas
Alineación de la banda Alineación de las bandas
Limpieza de la banda Condiciones de poleas
Condiciones de la Compuerta Prisioneros ajustados de poleas
Condiciones de la tolva
MOTOR 3 OK REV MAN NOTA CAJA TÉRMICA Y CABLEADO OK REV MAN NOTA
Conexiones eléctricas del motor Conexiones eléctricas
Fugas de aceite en reductor PLC
Pernos de sujeción de motor Estado de los contactores
Limpieza del motor Conexión en las borneras del PLC
Pernos de sujeción de caja de rodillos Revisión de fusibles en los reles
Engrase de cadena Conexiones en contactores
Guardas Ajustadas Revisión sensor fotoeléctrico
Limpieza de rodillos Limpieza sensor fotoeléctrico
Conexión en los reles
SISTEMA NEUMÁTICO OK REV MANT NOTA SENSOR DE PESO OK REV MANT NOTA
Conexión a la linea de aire Verificación del contador
Estado del cilindro Conexiones eléctricas del sensor
Revisión de electroválvula Revisión de placas
Comprobación de conductores
Verificación de filtros
Examinación filtro regulador
REALIZADO POR:
CHECK LIST MÓDULO DIDÁCTICO/LLENADORA DE CAJAS
COMPONENTES DEL MÓDULO
Fecha
jueves, 26 de febrero de 2015
REVISADO POR:
FIRMAS DE RESPONSABILIDAD
OBSERVACIONES:
53
4.3 Plan de mantenimiento del módulo
Las recomendaciones contenidas en esta guía representan requisitos mínimos para
garantizar un buen funcionamiento del módulo didáctico, para ello es importante su
adecuada instalación y utilización, este plan va relacionado directamente con la operación
eficaz por lo que el usuario debe tomar en cuenta las recomendaciones aquí descritas.
4.3.1 Mantenimiento Preventivo
Motorreductor
Es recomendable sustituir el aceite la primera vez tras 200 horas de trabajo.
Cada mes:
Revisar el nivel de aceite del reductor, y si es necesario completarlo.
Revisar si existen posibles fugas de aceite.
Utilizar aceite adecuado para reductores de velocidad.
Cada 3 meses:
Revisar la alineación del motor reductor con el eje de transmisión.
Escuchar si existe algún ruido anormal en de los engranes.
Chumaceras.
Engrasar las chumaceras cada 40 horas de servicio.
Revisar los prisioneros que se encuentren bien apretados, de lo contrario ajustar.
En caso de perderse algún prisionero comprar uno nuevo nunca colocar uno usado.
Limpiar la carcasa de la chumacera sin utilizar ningún solvente.
Verificar los rodamientos que se encuentren en perfecto estado cada 160 horas de
servicio, si estos empiezan a zumbar o producen ruido anormal, realizar el cambio
inmediatamente, estos rodamientos son cerrados y por lo general se debe cambiar
toda la chumacera.
54
Correas.
Inspección simple de la transmisión: rutinario (antes de cada practica).
Limpiar la superficie de las correas.
Revisar tensión.
Rápida inspección visual del estado en que se encuentren las correas.
Inspección minuciosa de las correas: Cada 3 meses.
Hacer funcionar el sistema observar y escuchar cualquier vibración o sonido
anormal.
Revisar la tensión de la correas
Colocar condicionador para correas.
Revisar si existe desgaste o daños anormales le permitirá localizar y corregir
problemas de transmisión
Recorra las correas revisando grietas, áreas con rotura, cortes o indicios de desgaste
anormal.
Verificar la temperatura de la correa, la mano puede soportar una temperatura de
60 grados centígrados, una forma de verificar la tensión es por medio del dedo
pulgar presionando la correa constantemente.
Reemplazar en caso de indicaciones obvias de grietas, roturas.
Poleas
Inspección de poleas: cada 3 meses.
Verificar si existe desgaste o danos en poleas, el desalineamiento acorta la vida de
las correas:
Revisar que las poleas se encuentren paralelas.
Eje en perfecto estado.
Verificar alineación, en el caso de haber desalineamiento utilizar galgas para
comprobar y alinear.
Prisioneros: cada 80 horas de servicio
Verificar que los prisioneros de las poleas estén ajustados correctamente, para esta
operación basta con una simple inspección manual.
55
Banda Transportadora
Inspeccionar (cada semana)
Verificar la alineación
Comprobar la tensión de la banda.
Realizar limpieza sobre la superficie.
Inspeccionar (cada 80 horas).
Verificar que la banda esté en buen estado.
Aflojar completamente la banda de sus rodillos.
Alinear banda transportadora.
Revisar la tensión correcta ya que esta tiene relación directa con el centrado de la
misma.
Limpieza de la banda.
Condicionador de bandas.
Cadena
Para este módulo esta implementado una cadena para velocidades bajas; por lo
tanto se debe realizar una lubricación cada 80 horas (grasa) y cada 6-8 horas
(aceite).
Periódicamente comprobar el alargamiento de la cadena, sustituirla en caso que
esta sea mayor a un 2-3% de su longitud inicial.
Controlar el tensado de la cadena.
Comprobar la alineación de los raches por la que se desliza la cadena.
Realizar limpieza y engrase de cadena en función de su trabajo.
Si existe un desgaste excesivo sustituir la cadena.
Después de verificar siempre asegurarse de volver a montar la guardas de seguridad.
Sistema neumático
La observación diaria (cada práctica) del sistema, la búsqueda de fugas y el
control de las prestaciones de la maquina se pueden detectar muchos problemas
antes de que obliguen a una parada no programada en el módulo.
56
La contaminación es el enemigo número uno de los sistema neumáticos, sin realizar
esto conllevamos a reducir su eficiencia y acelerar el desgaste de los componentes
(cilindro, válvulas).
Para esto debemos realizar lo siguiente:
Inspeccionar cada práctica:
Revisar que esté libre de contaminantes químicos (Calor, agua y aire pueden
combinarse químicamente para variar la composición del aire), el aire produce
contaminación en forma de ácidos y de oxidación.
Inspeccionar el sistema (cada practica) para comprobar que no tenga perdidas .Si
las hubiera reparar inmediatamente.
Mantener en un buen estado el depósito neumático: revisar cada vez q se vaya a
utilizar para evitar fallas que pueden conducir a la avería y contaminación de todo
el sistema.
Proteger el equipo (partes sensibles) después de su utilización.
Filtro Regulador
Drenar el filtro regulador cada 100 horas.
Cambiar el filtro regulador al menos cada 500 horas de uso.
Desmontar con cuidado el componente.
Mantener las mangueras tapadas.
Cilindro neumático
Por lo general se puede decir que el mantenimiento debe ser realizado en periodos
que fluctúen entre 3 y 12 meses.
Verificar si el conjunto vástago –embolo se mueve con facilidad, sin carga en la
punta del vástago y sin aire en la línea. Una vez realizado esto se deberá poner en
funcionamiento con aire comprimido en la línea.
Proteger las piezas (rosca) evitando que sufran golpes.
Para efectuar la limpieza de las partes no utilice solventes.
57
Caja Térmica
Contactores (cada 12 meses)
Reajustar terminales
Inspección de conductores
Comprobar tensión de la línea.
Realizar limpieza sin utilizar solventes.
Realizar pruebas.
Térmico (cada 6 meses)
Reajustar terminales
Inspección de conductores
Realizar limpieza sin utilizar solventes.
Foto Sensor Electrónico (cada 3 meses)
Inspección visual.
Verificar el voltaje.
Reajuste de terminales.
Limpieza de panel.
Pruebas de censado.
PLC (cada 100 horas)
Inspeccionar visual de todos los componentes, revisar entradas y salidas.
Verificar sin tensión de partes físicas la correcta conexión del sistema, incluida la
alimentación.
Revisar si algún cable se encuentra suelto o roto.
Ajustar correctamente los cables al PLC, fuente de alimentación.
Inspeccionar si los tornillos se encuentran en buen estado y ajustarlos.
Analizar las condiciones ambientales.
Verificar la tensión de alimentación.
Realizar limpieza en la superficie y terminales del PLC.
58
Si tomamos en cuenta todo lo detallado en esta guía de manteniendo preventivo
lograremos que el módulo didáctico conserve todos sus elementos funcionales para que
con ello nos permita mayor tiempo de trabajo antes de una mantenimiento correctivo que
resultara más costoso.
4.3.2 Mantenimiento Correctivo
Tabla 14. Motorreductor
Problema Posible causa Solución
El motor se enciende y se
apaga
Las conexiones a la corriente
se encuentran flojas
Revisar las conexiones y
apretarlas donde se requiera
El motor hace un ruido de
encendido pero no gira Exceso de tensión en la banda
Aflojar la banda desde los
tensores
Ruido excesivo El motor esta suelto Ajustar los pernos que están
sujetos a la base del motor
Fuente: Autores
Tabla 15. Chumaceras
Problema Posible causa Solución
Ruido excesivo y vibración Rodamientos sin lubricación Engrasar manualmente con
una pistola de inyección
Chumaceras desgastadas Cabeceo en la operación Reemplazar las chumaceras
Agrietamiento del material en
la pista interna y externa
Errores de ensamble,
lubricación deficiente,
corrosión, esfuerzos
anormales, partículas externas
Reemplazar la chumacera
Fuente: Autores
Tabla 16. Correas
Problema Posible causa Solución
Correa rota Tensión excesiva Utilizar el sistema de ajuste
por medio de los tensores
Desgaste de paredes laterales Desalineamiento Alinear las poleas
Agrietamiento en las correas Almacenamiento inadecuado Evitar rayos del sol
Adelantamiento entre correas Tensión excesiva
Alinear, utilizar los tensores,
realizar pruebas de tensión
entre correas
Desgaste en las poleas Desalineamiento Alinear las poleas
Fuente: Autores
59
Tabla 17. Banda transportadora
Problema Posible causa Solución
Desgaste prematuro en la
parte interior de la banda.
Desgaste excesivo debido a
que los rodillo no giran
correctamente, oxidados o
con materiales incrustados en
ellos
Desajustar la banda y realizar
una limpieza en los rodillos.
La banda se resbala.
Insuficiente tracción entre la
banda y el rodillo , rodillos
sucios
Realizar limpieza.
Deslizamiento continúo entre
la banda y el rodillo motriz. Tensión insuficiente
Tensionar la banda utilizando
los tensores correctamente.
Estiramiento excesivo en la
banda. Tensión demasiado elevada
Reducir la tensión, aflojar
tensores.
Perforaciones en la banda. Daño por calor o químicos
almacenamiento inadecuado Vulcanizar zona afectada.
El empalme vulcanizado se
separa.
Tensión demasiado elevada,
banda mal empalmada
Sacar la banda , vulcanizar
nuevamente
Las orillas de la banda rozan
paredes de tol. Alineación inadecuada.
Alinear correctamente
aflojando pernos de
chumaceras, centrar y ajustar
nuevamente .Ajustar tensores,
realizar pruebas.
Separación entre la cubierta y
lona.
Humedad excesiva en la
banda.
Limpieza, almacenamiento
adecuado.
Fuente: Autores
Tabla 18. Caja de rodillos
Problema Posible causa Solución
Vibración continua Pernos de la base flojos Ajustar pernos.
Ruido en el sistema de
transmisión
Falta de lubricación en la
cadena y raches
Lubricar, colocar abundante
grasa en la cadena y raches
Ruido entre caja de rodillos y
guardas de tol Tornillos de sujeción flojos Revisar y ajustar tornillos
Fuente: Autores
Tabla 19. PLC
Problema Posible causa Solución
El equipo no acciona
No hay programa en CPU Confirmar mediante software
si existe un programa alojado
Problema de fuente
Comprobar tensión de
alimentación que este sobre
los niveles normales
60
Tabla 19. (Continuación)
Al conectar la computadora
con el PLC, el software indica
error de conexión
Cable de datos en mal estado
Evidenciar el estado del cable,
sino funciona reemplazar el
cable
El equipo no enciende
No hay tensión en línea de
alimentación
Identificar estado del cable de
alimentación.
Ruptura de fusible de
protección del PLC
Verificar fusible o cambiar
fusible
Niveles de tensión de red muy
bajo o altos. Evaluar tensión de red
Fuente: Autores
Tabla 20. Sistema neumático
Problema Posible causa Solución
Pérdidas
Presión excesiva del sistema Revisar regulador
Culata del cilindro dañada o
rota Reemplazar cilindro
Sellado defectuoso del
manguera y el acoplamiento
Ajustar/reemplazar
acoplamiento
Conexión de la manguera mal
ajustados
Ajustar correctamente la
manguera.
Desviación excesiva Cilindro rayado/Vástago
desviado Reemplazar vástago /cilindro.
Escape del aire del cilindro
por la zona del émbolo
Defecto de la junta de
estanqueidad del émbolo
Cambiar la junta de
estanqueidad del émbolo.
El cilindro se desplaza
lentamente o a golpes.
Suciedad debida al aire o a
virutas. Desmontar por completo el
cilindro, limpiarlo. Al mismo
tiempo, cambiar las piezas de
desgaste. Junta de estanqueidad del
émbolo defectuosa.
Funcionamiento ruidoso Nivel de aire bajo Comprobar presión de
aire/revisar /desmotar filtro. Filtro obstruido
Ciclos lentos
Vástago del cilindro averiado Revisar/reemplazar vástago
Nivel de aire bajo Comprobar presión de
aire/revisar /desmotar filtro
Compresor averiado Revisar/mantenimiento de
compresor
Válvulas reguladoras
averiadas
Revisar/reemplazar válvulas
reguladoras
Fuente: Autores
Para la operación del módulo utilizar la bitácora de operaciones.
61
Tabla 21. Bitácora de operaciones
Fuente: Autores
4.4 Guías de prácticas de laboratorio
PRÁCTICA N° ….
DESARROLLO DEL PROCESO DE LLENADO DE CAJAS
1. DATOS GENERALES
Nombre y Apellido: Código:
………………………………. ……………..
……………………………….. ………………
Fecha de realización: …………………….
Fecha de entrega: …………………….
MARCA: LAFERT RELACION:
SISTEMA: MONOFASICO POTENCIA:
VELOCIDAD: 1600 RPM VOLTAJE:
FECHA ESTUDIANTES STOP START TOTAL
1 : 60 .
ENERO
1/4 HP - 0,18 kW
110 V
DESCRIPCIÓN OBSERVACIÓN
15/02/2015 0 0 0
BITACORA DE OPERACIÓN CARACTERISTICAS MOTOR REDUCTOR
MÓDULO DIDÁCTICO/LLENADORA DE CAJAS
ESPOCH/EII
17/02/2015 0
16/02/2015 0 0
0 0
0
19/02/2015 0
18/02/2015 0 0
0 0
0
21/02/2015 0
20/02/2015 0 0
0 0
0
62
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
Desarrollar el proceso de llenado de cajas.
2.2 Objetivos específicos.
Conocer el funcionamiento del módulo.
Realizar diferentes programaciones en el PLC.
3. MARCO TEÓRICO
4. PROCEDIMIENTO
Tabla 22. Asignación de entradas y salidas
Asignación de entradas y salidas
E/S Variable Nombre Función
Entrada I0 Na Pulsador de inicio
Entrada I1 Nc1 Parada
Entrada I2 Nc2 Parada de emergencia
Entrada I3 Peso Sensor de peso
Entrada I4 Fotosensor Detección de cajas
Salida Q0 Motor 1 Arrastre de cajas
Salida Q1 Motor 2 Banda transportadora
Salida Q2 Motor 3 Tren de rodillos
Salida Q3 Electroválvula Accionamiento del cilindro
Salida Q4 Encendido Luz de encendido
Fuente: Autores
Revisar las conexiones eléctricas y neumáticas.
Leer el manual de operación.
Realizar programaciones con diferentes secuencias de llenado.
5. MATERIALES
Módulo didáctico
Software Step 7-Micro/win y cable PPI RS/485
Producto para llenar y cajas
6. CÁLCULOS
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
8. BIBLIOGRAFIA
9. ANEXOS
63
CAPÍTULO 5
5. COSTOS
5.1 Costos de inversión
Constituye el capital que será utilizado para la implementación del proyecto, dentro de
los costos se incluyen los de operación y de construcción.
5.2 Costos de operación
Dentro de los costos de operación del proyecto consideramos los de administración en
donde se pueden ubicar los pagos realizados por concepto de mano de obra y servicios
profesionales necesarios para la construcción de la máquina (DEFINICIÓN.DE, 2015).
Tabla 23. Detalle de costos de operación.
Costos administrativos
Cantidad de personas Descripción Valor
1 Mecánico industrial 335,00
1 Ingeniero electrónico 120,00
2 Asesoramiento 120,00
Total 575,00
Fuente: Autores
5.3 Costos de construcción
Dentro de este rubro se incluyen los costos de materiales; tanto los mecánicos como los
eléctricos y electrónicos, es decir, los directos.
Los costos indirectos que incluyen: lubricantes, refrigerantes y demás insumos que se
pueden necesitar en las diferentes pruebas, este tipo de costos quizá intervienen poco
dentro de todos los aspectos pero son importantes para poner a punto todo el modulo para
que logre su correcto funcionamiento (EJEMPLODE, 2015).
64
Tabla 24. Detalle de costos de construcción directos
Cantidad Descripción Valor
(USD)
1 Tubo cuadrado 1 1/2"x1.5 (6m) 13.18
20 Rodamientos 6204 24.5mm 31.03
10 Rodamientos 6201 20 mm 7.17
2 Tol negro 0.60 mm 27.09
1 Varilla lisa 24.5mm (6m) 25.65
1 Tubo redondo 2"x1.5mm(1m) 6.01
2 Electrodos 1kg 5.92
2 Bandas 6PK2288 0.015x2m 33.2
4 Poleas aluminio 25.00
8 Chumaceras 1" 42.4
3 Kg de electrodos 9.00
1 Eje acero de transmisión 1"(2m) 19.00
10 Raches 13.00
1 Acero de transmisión 2 1/4"(11.77kg) 35.82
1 Acero de transmisión 1 1/2"(2.29kg) 11.28
2 Cadena de transmisión 3.50
1 Broca 5/16 5.00
1 Banda 0.28*1.60m 45.00
76 Arandelas 24.95
16 Pernos y tuercas 5/16 17.22
6 Pernos y tuercas ¼ 6.00
4 Prisioneros 3/16x3/4 2.00
3 Motor - reductores Lafert 940
1 PLC SIEMENS S7-200 250
1 Cilindro de doble efecto 70.00
1 Sensor de peso (BALANZA) 60.00
1 Filtro regulador 60.00
1 Manguera (3 metros) 2.70
1 Electroválvula 60.00
1 Foto sensor 35.00
Cable 16 (50m) 12.50
1 Pulsadores 12.00
1 Luces piloto 6.00
1 Caja Térmica 40.00
5 Canaletas 10.00
3 Contactores 75.00
4 Fusibles 1.20
2 Porta fusibles 5.00
1 Acople para manguera 5.00
Total 2052.82
Fuente: Autores
65
Tabla 25. Detalle de costos de construcción indirectos
Cantidad Descripción Valor
(USD)
1 Flexómetro 3.00
3 Discos de pulir 6.00
5 Discos de corte 10.00
1 Gratas 4.00
3 Pintura ( 1L) 19.00
1 Masilla (1L) 6.00
10 Lijas 5.00
3 Thinner-laca (1gl) 18.00
5 Hojas de sierra 10.00
1 Plástico 5.00
1 Pegamento especial 6.00
1 Masilla Verde 2.50
Total 94.50
Fuente: Autores
5.4 Gastos varios
Dentro de los gastos que incluiremos para la ejecución del proyecto de la construcción de
un módulo didáctico llenadora de cajas, se encuentran los materiales de oficina,
suministros, insumos, entre otros de los cuales no se espera que pueda generar ingresos
en el futuro (BLIGOO, 2015).
Tabla 26. Detalle de gastos
No. Descripción Valor
(USD)
1 Hojas 3.50
2 Internet 5.00
3 Transporte 30.00
4 Impresiones 25.00
5 Cd´s 2.50
6 Copias 5.00
7 Empastados 30.00
8 Útiles de oficina 5.00
Total 106.00
Fuente: Autores
66
5.5 Resumen de costos y de gastos
A continuación presentamos un resumen de los costos y gastos incurridos para la
ejecución del proyecto.
Tabla 27. Resumen de costos y gastos
Descripción Valor total
(USD)
Costos de operación 575,00
Costos de construcción directos 2052,82
Costos de construcción indirectos 94,50
Gastos varios 106,00
Total 2828,32
Fuente: Autores
67
CAPÍTULO 6
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1 Conclusiones
Mediante esta investigación se conoció el funcionamiento del PLC SIEMENS S7-200
que muestra alto nivel de prestaciones, dentro de la industria colaborando de esta manera
con el cambio de la matriz productiva.
Se determinó la secuencia de programación mediante el lenguaje KOP (LADDER), para
ello se utilizó el software STEP7/MICROWIN que es compatible con el PLC S7-200.
Se elaboró el diagrama eléctrico de instalación del módulo.
Se elaboró las guías de prácticas de laboratorio que les permitirá a los estudiantes
documentar el proceso que realiza el módulo didáctico.
Se elaboró un plan de mantenimiento preventivo y correctivo con las posibles, averías,
causas y soluciones de cada elemento del módulo.
Se realizó una bitácora de operaciones y un checklist de inicio de operaciones que ayuda
a controlar y monitorear el módulo.
6.2 Recomendaciones
Incentivar a los futuros ingenieros industriales a investigar nuevas formas de automatizar
procesos utilizando tecnología de vanguardia ya que esto les permitirá ser profesionales
competentes dentro de la industria, haciéndolos parte del cambio de matriz productiva del
país.
Si se necesita realizar una práctica con un valor diferente de peso se debe cambiar la
referencia de peso en la programación del Arduino como alcance máximo 30 kg.
68
Buscar que los estudiantes se relacionen con diagramas eléctricos y conexiones reales de
varios elementos de un proceso para mejorar las competencias.
Usar las guías de prácticas de laboratorio para conocer el procedimiento y no cometer
errores.
Seguir el manual de seguridad y mantenimiento para evitar daños personales y fallos
inesperados en los equipos.
Llenar la checklist de iniciación y la bitácora de operación para mantener los registros
actualizados y en caso de que algún elemento genere falla encontrar la solución de manera
eficaz.
69
BIBLIOGRAFÍA
AGUINAGA, A. 2011. Autómatas Programables. Quito : s.n., 2011. Pags. 25 - 28.
AGUINAGA, Alvaro. 2011. Automatas Programables. Quito : s.n., 2011.
BIANCO, Carina. 2006.
http://labelectronica.weebly.com/uploads/8/1/9/2/8192835/curso_de_plc.pdf. [En línea]
Octubre de 2006.
BLIGOO. 2015. www.bligoo.com.co. [En línea] 2015. [Citado el: 4 de Enero de 2015.]
http://costosgastosypresupuestos.bligoo.com.co/conceptos-y-diferencia-entre-costos-y-
gastos#.VLRsJyuG-v1.
BOLTON, W. 2001. Mecatrónica sistemas de control electrónico en ingeniería mecánica
y eléctrica. Mexico : Alfaomega, 2001. 2da Edición Pags. 427 - 428.
CLAUDIO, Miguel. 2013. https://sites.google.com/site/circuito11claudiomiguel/1-
neumatica-y-aire-comprimido/propiedades-del-aire-comprimido. [En línea] 2013.
CÓRDOVA, Facultad Regional. 2014. www.frc.utn.edu.ar. [En línea] 2014.
http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO2.pdf.
DEFINICIÓN.DE. 2015. www.definición.de. [En línea] 2015. [Citado el: 4 de Enero de
2015.] http://definicion.de/gastos-de-operacion/#ixzz3M0CWWskC.
DÍEZ, Pedro Fernández. 2014. [En línea] 24 de Octubre de 2014.
http://libros.redsauce.net/.
EJEMPLODE. 2015. www.ejemplode.com. [En línea] 2015. [Citado el: 4 de Enero de
2015.] http://www.ejemplode.com/46-contabilidad/985-
ejemplo_de_gastos_de_operacion.html.
MORALES, Gabriela. www.WordPress.com. [En línea]
https://gabrielamorales.wordpress.com/sensores-resistivos/.
MORALES, Vladimir. 2014.
http://fundamentacionneumatica.wikispaces.com/Electroneumatica. [En línea] 2014.
70
OGATA, k. 2000. Ingenieria de control moderna. Mexico : Prentice hall pearson, 2000.
ROMERA, Pedro. 2001. Automatización problemas resueltos con automatas
programables. España : S.A. EDICIONES PARANINFO, 2001. 9788428320771.
RUEDAS, C. 2014. http://www.tec.url.edu.gt. [En línea] 2014.
http://www.tec.url.edu.gt/boletin/URL_10_MEC01.pdf.
SIEMENS. 2004. [En línea] 2004.
https://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Document
s/S7200-FOLLETO.PDF.
SIEMENS, AG. 2008. Manual del sistema de automatización S7-200. [En línea] 2008.
https://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Document
s/S7200ManualSistema.pdf. 6ES7298-8FA24--8DH0.
VALLEJO, Ing. Horacio D. 2005. PLC y ROBOTICA. Argentina : Quark SRL, 2005,
Vol. 5.
VELASCO, Ignacio Moreno. 2013. http://www.unet.edu.ve. [En línea] 2013.
http://www.unet.edu.ve/~ielectro/2-SensoresResistivos.pdf.
VICTOR. 2011. Scribd. [En línea] Automatizacion, 27 de Marzo de 2011. [Citado el: 15
de Enero de 2014.] http://es.scribd.com/doc/5165686/Que-es-un-sistema-automatizado.
VILARDELL, Eugenio Nieto. 2014. www.fidestec.com. [En línea] 2014.
http://fidestec.com/blog/sensores-fotoelectricos-industriales-fotocelulas/.
VILLALVA, Hervas. 2014.
http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/05/neumatica.pdf. [En
línea] 2014.
